Desarrollo de un servicio web (Geoportal AgriService) para la monitorización de cultivos y asesoramiento de riego con datos de satélite

Abstract

[ES] En el contexto de la problemática actual del cambio climático, el cuidado de los recursos hídricos y la necesidad de gestionar de forma eficaz este recurso en la agricultura, se desarrolla la presente investigación que se enmarca en los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), principalmente el Objetivo 13 Acción por el clima. Este trabajo pretende crear una herramienta que permita facilitar la toma de decisiones en cuanto a la gestión del recurso hídrico, y, que ofrezca al agricultor una adecuada gestión geoespacial para monitorización de cultivos. El proyecto se relaciona estrechamente con la agricultura sostenible, la seguridad alimentaria, y otros ODS (ODS2, ODS6, ODS9, ODS12). El trabajo desarrolla como parte de las prácticas en empresa en el marco de trabajo de la empresa The Earth Observation Laboratory (EOLAB), siendo parte del proyecto Desarrollo de un servicio web (geoportal AgriService) para la monitorización de cultivos y asesoramiento de riego con datos de satélite . La empresa ha desarrollado una cadena de procesado a partir de algoritmos de teledetección obtenidos en proyectos I+D. Hasta el desarrollo del actual proyecto, en la empresa no se ha desarrollado ninguna tecnología o interfaz para que el usuario pueda definir parcelas y acceder a la información de interés de la cadena de procesado de la empresa. El trabajo de fin de máster tiene el objetivo de desarrollar un Geoportal como un servicio web agrícola "AgriService" de gestión geoespacial para monitorización de cultivos, integrando información obtenida a partir de datos de satélite de observación de la Tierra (Copernicus Sentinel 2A y B) y algoritmos de teledetección para estimar parámetros agronómicos de interés, involucrando herramientas de desarrollo y tratamiento de gran cantidad de información (Big Data) con ayuda de la potencialidad del cálculo en la nube que ofrece Google Earth Engine. El desarrollo de un algoritmo para el cálculo de variables agronómicas como el índice de vegetación normalizado (NDVI), la temperatura en Superficie (LST), la fracción de cobertura Vegetal (FCOVER), la emisividad (EMI), el albedo (ALB) y la radiación neta (RN) son útiles para obtener la evapotranspiración (ET) equivalente a la necesidad hídrica total en ausencia de lluvia, aplicando un modelo físico basado en medidas de temperatura de la superficie. Las variables biofísicas se obtienen siguiendo la metodología aplicada por la empresa Earth Observation Laboratory (EOLAB), modelos que se han desarrollado para la cartera de productos y cadena de procesado de Sentinel-2 que ofrece la empresa. Se automatiza la parte de entradas y pre-procesamiento de la cadena de la empresa, mediante la integración de herramientas de interfaz de programación de aplicaciones (APIs) correspondientes para llevar la información al usuario final. En el desarrollo del geoportal se incluye un módulo de suscripción y registro de usuarios en función de la extensión de la parcela. Considerando que el servicio web es proporcionado por la empresa EOLAB, es necesario analizar las limitaciones comerciales de Google Earth Engine. La automatización de cálculos, la gestión y control de usuarios, se desarrolla en el back-end del geoportal con la ayuda del lenguaje de programación Python, el uso de la API de Google Earth Engine, PostgreSQL y PostGIS para la base de datos y Django como framework de desarrollo web back-end. Para el front-end se utilizan lenguajes de desarrollo web como HTML, CSS y JavaScript, el visor geográfico se construye con la librería Leaflet de JavaScript. Además de esto se utiliza herramientas de desarrollo como Git y Docker y plataformas en la nube como GitHub para producción y despliegue de la aplicación. El producto final es el geoportal AgriService como servicio web, que permite al usuario, registrarse y acceder a la información de su parcela, en un determinado intervalo de tiempo, visualizar series de tiempo de las variables biofísicas que solicite el usuario y un mapa de su

[EN] In the current context of climate change issues, the care of water resources and the need to effectively manage this resource in agriculture, this research is framed in the Sustainable Development Goals (SDGs), mainly in Goal 13. Climate action. The aim of this work is creating a tool to facilitate decisions making in managing water resources, This tool offers the farmer an adequate geospatial management for crop monitoring. The project is closely related to sustainable agriculture, food security, and other SDGs (SDG2 - SDG6 - SDG9 - SDG12). The develop of this work is part of an internships in the company The Earth Observation Laboratory (EOLAB) in the project "Development of a web service (geoportal AgriService) for crop monitoring and irrigation advice with satellite data". The company has developed a processing chain based on remote sensing algorithms obtained in R&D projects.Until the development of the current project, the company has not developed any technology or interface for the user to define plots and select information of interest, to access to the company s processing chain products. The Master's thesis aims to develop a Geoportal as an agricultural web service AgriService for geospatial management for crop monitoring and irrigation advice, integrating information obtained from Earth observation satellite data (Copernicus Sentinel 2A and B) and physical models useful for estimating agronomic parameters of interest, involving innovative tools for the management of water resources in agriculture and processing of large amounts of information (Big Data) with the help of the potential of cloud computing offered by Google Earth Engine. The development of an algorithm for the calculation of agronomic variables such as normalized vegetation index (NDVI), surface temperature (LST), fraction of vegetation cover (FCOVER), emissivity (EMI), albedo (ALB) and net radiation (RN) are useful to obtain the evapotranspiration (ET) equivalent to the total water requirement in the absence of rain, applying a physical model based on surface temperature measurements. The biophysical variables are obtained following the methodology applied by the Earth Observation Laboratory (EOLAB) company, models that have been developed for the Sentinel-2 product portfolio and processing chain offered by the company. The input and pre-processing part of the company s chain is automated by integrating the corresponding application programming interface tools (APIs) to bring the information to the end user. In the development of the geoportal, a subscription and user registration module is included depending on the extent of the parcel. Considering that the web service is provided by EOLAB, it is necessary to analyze the commercial limitations of Google Earth Engine. The automation of calculations, management and user control, is developed in the back-end of the geoportal with the help of the Python programming language, the use of the Google Earth Engine API, Postgres and Postgis for the database and Django as a web development Framework. For the Front-end web development languages such as HTML, CSS and JavaScript are used, the geographic viewer is built with the Leaflet JavaScript library. In addition to this, web development tools such as Git and Docker and cloud platforms such as GitHub are used for production and deployment of the application. The final product is the AgriService geoportal as a web service, which allows the user to register and access the information of his plot, in a certain time interval, visualize time series of the biophysical variables requested by the user and a map of his plot on the geographic viewer, the availability of current data is marked by that offered by the Datasets available in Google Earth Engine.

[CA] En el context de la problemàtica actual del canvi climàtic, la cura dels recursos hídrics i la necessitat de gestionar de manera eficaç este recurs en l'agricultura, es desenvolupa la present investigació que s'emmarca en els Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS), principalment l'Objectiu 13 Acció pel clima. Este treball pretén crear una ferramenta que permeta facilitar la presa de decisions quant a la gestió del recurs hídric, i, que oferisca a l'agricultor una adequada gestió geoespacial per a monitoratge de cultius. El projecte es relaciona estretament amb l'agricultura sostenible, la seguretat alimentària, i altres ODS (ODS2, ODS6, ODS9, ODS12). El treball desenvolupa com a part de les pràctiques en empresa en el marc de treball de l'empresa The Earth Observation Laboratory (EOLAB), sent part del projecte “Desenvolupament d'un servici web (geoportal AgriService) per al monitoratge de cultius i assessorament de reg amb dades de satèl·lit”. L'empresa ha desenvolupat una cadena de processament a partir d'algorismes de teledetecció obtinguts en projectes I+D. Fins al desenvolupament de l'actual projecte, en l'empresa no s'ha desenvolupat cap tecnologia o interfície perquè l'usuari puga definir parcel·les i accedir a la informació d'interés de la cadena de processament de l'empresa. El treball de fi de màster té l'objectiu de desenvolupar un Geoportal com un servici web agrícola "AgriService" de gestió geoespacial per a monitoratge de cultius, integrant informació obtinguda a partir de dades de satèl·lit d'observació de la Terra (Copernicus Sentinel 2A i B) i algorismes de teledetecció per a estimar paràmetres agronòmics d'interés, involucrant ferramentes de desenvolupament i tractament de gran quantitat d'informació (Big data) amb ajuda de la potencialitat del càlcul en el núvol que oferix Google Earth Engine. El desenvolupament d'un algorisme per al càlcul de variables agronòmiques com l'índex de vegetació normalitzat (NDVI), la temperatura en Superfície (LST), la fracció de cobertura Vegetal (FCOVER), l'emissivitat (EMI), l'albedo (ALB) i la radiació neta (RN) són útils per a obtindre l'evapotranspiració (ET) equivalent a la necessitat hídrica total en absència de pluja, aplicant un model físic basat en mesures de temperatura de la superfície. Les variables biofísiques s'obtenen seguint la metodologia aplicada per l'empresa Earth Observation Laboratory (EOLAB), models que s'han desenvolupat per a la cartera de productes i cadena de processament de Sentinel-2 que oferix l'empresa. S'automatitza la part d'entrades i pre-processament de la cadena de l'empresa, mitjançant la integració de ferramentes d'interfície de programació d'aplicacions (APIs) corresponents per a portar la informació a l'usuari final. En el desenvolupament del geoportal s'inclou un mòdul de subscripció i registre d'usuaris en funció de l'extensió de la parcel·la. Considerant que el servici web és proporcionat per l'empresa EOLAB, és necessari analitzar les limitacions comercials de Google Earth Engine. L'automatització de càlculs, la gestió i control d'usuaris, es desenvolupa en el back-end del geoportal amb l'ajuda del llenguatge de programació Python, l'ús de la API de Google Earth Engine, PostgreSQL i PostGIS per a la base de dades i Django com framework de desenvolupament web back-end. Per al front-end s'utilitzen llenguatges de desenvolupament web com a HTML, CSS i JavaScript, el visor geogràfic es construïx amb la llibreria Leaflet de JavaScript. A més d'això s'utilitza ferramentes de desenvolupament com Git i Docker i plataformes en el núvol com GitHub per a producció i desplegament de l'aplicació. El producte final és el geoportal AgriService com a servici web, que permet a l'usuari, registrar-se i accedir a la informació de la seua parcel·la, en un determinat interval de temps, visualitzar sèries de temps de les variables biofísiques que sol·licite l'usuari i un mapa de la seua parcel·la sobre el visor geogràfic. La disponibilitat d'actualitat de les dades ve marcada per la qual oferixen els conjunts de dades disponibles en Google Earth Engine.